《李赛课题组总结cryo-ET的技术突破及其带来的分辨率革命》

  • 来源专题:生物育种
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2023-05-15
  •     冷冻电子断层成像(cryo-ET)是在原位环境下发现并解析新结构,实现跨尺度生物成像的重要结构生物学手段。近年来cryo-ET领域蓬勃发展:一方面,cryo-ET数据采集及后续数据处理方法的技术革新带来了分辨率的革命性突破;另一方面,细胞环境下的目标识别技术及减薄冷冻细胞样品技术的发展,使在10万倍放大倍数下直接观察生理条件下细胞内的生物学过程成为可能。这两方面的革新相辅相成,极大地促进了在宿主细胞中原位高分辨观测病毒活动的研究新方向(图1),为病毒学研究、药物疫苗开发提供了宝贵的原位机制发现。

        2023年5月10日,清华大学生命学院李赛团队在Annual Review of Biophysics发表题为《冷冻电子断层成像的分辨率革命及伴随涌现的原位病毒学发现》(Cryo-Electron Tomography: The Resolution Revolution and a Surge of In Situ Virological Discoveries)的综述文章。该文章系统总结了cryo-ET领域近年来的技术革新、分辨率突破及伴随其涌现的原位结构病毒学发现,并对该领域的未来研究进行了展望。

  • 原文来源:http://www.ebiotrade.com/newsf/2023-5/20230514073842246.htm
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    • 继2020年报道了新冠病毒原始株的全病毒三维结构后,2023年4月25日,清华大学生命学院李赛团队在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)杂志发表了题为“新冠病毒Delta变异株的原位结构和膜融合”( In situ architecture and membrane fusion of SARS-CoV-2 Delta variant)的文章。结合冷冻电子断层成像、单颗粒分析和质谱技术,解析了新冠病毒Delta变异株的原位特征,并展示了Delta不同于原始株的结构基础。该成果丰富了新冠病毒变异株的原位结构研究,在高致病性囊膜病毒灭活手段选择方面具有借鉴意义,为新冠病毒变异株相关疫苗设计及抗体药物研发提供了参考。另外,直接在纯化的病毒样品中观察到新冠病毒之间发生膜融合的现象,并捕捉到S蛋白介导膜融合的中间步骤,为深入理解新冠病毒膜融合的原位机制提供了重要依据。通过比较Delta与WT毒株的结构与组装差异,该成果建立了变异株结构及致病性差异的联系。原文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213332120
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    • 水平分辨率和物理过程表达的精确性是决定全球海洋模式模拟结果真实性的两个最重要的因素。按照自然资源部第一海洋研究所数值模式“运行一代、研制一代、策划一代”的总体思路,物理海洋室肖斌工程师与团队成员密切协作,突破系列关键技术瓶颈,将自然资源部第一海洋研究所全球高分辨率海洋模式水平分辨率由1/10°提升至1/32°,并实现了全球海浪-潮流-环流耦合。新的模式命名为全球1/32°海浪-潮流-环流耦合海洋模式(FIO-COM32)。这为下一代业务化预报系统建设打下了坚实的基础。论文2023年3月28日发表于国际高端期刊《Geoscientific Model Development》(https://doi.org/10.5194/gmd-16-1755-2023),乔方利研究员为通讯作者。 首先,随着分辨率由1/10°提升至1/32°,模式的计算量和内存开销将分别增加约32倍和10倍,对模式研发与运行提出了巨大的技术挑战。该课题组通过设计四级并行框架,突破了高效并行计算技术瓶颈;通过IO二次剖分和多进程归集,突破了IO技术瓶颈。 模式分辨率的提升对地形岸线的解析、涡旋现象的模拟等都有本质性改进。新的高分辨率模式能够模拟更丰富的海洋涡旋现象,显著改进了模式对涡动能的模拟能力,尤其在黑潮和湾流等西边界强流区域,所模拟的强流路径与形态均有较大提升,涡动能的均方根误差随之大幅降低。 其次,即使分辨率提升至全球1/32°,夏季上层海洋混合不足的问题依然存在,图中显示模式与Argo观测的夏季混合层深度存在显著的偏浅问题,这是国内外海洋环流模式的共性问题。基于本研究组原创的浪致混合理论,将浪致混合方案Bv引入到新模式,显著改进了夏季混合层深度模拟,首次实现了高分辨率海浪-潮流-环流的耦合。 以往国内外超高分辨率海洋模式与卫星观测的海面高度数据对比显示,两者的中尺度波数谱斜率存在明显差异,这是一个困扰了物理海洋学领域多年的科学难题。基于建立的新型模式,该课题组首次在全球尺度科学阐释了该差异是由于海洋环流模式中未引入潮流而引起的。通过引入天体引潮力实现潮流-环流耦合,全球模式中激发的内潮和惯性重力波所致的海面起伏显著改进了模式的中尺度波数谱斜率。在乔方利研究员带领下,经过几十年的不断探索,该研究组打破了国内外海浪、潮流、环流分治的传动动力学框架,在国际上首次提出海浪、潮流、环流等多运动形态耦合建模的学术思想。该论文清晰表明,耦合建模是未来海洋模式发展的正确道路。 在联合国“海洋十年”框架下,乔方利联合欧美等25个国家34家海洋研究机构和3个国际组织,于2022年发起了“海洋与气候无缝预测(OSF)”大科学计划。该论文的发表标志着OSF又迈上了一个新台阶。